沸腾与凝结换热
《传热学》第七章 凝结与沸腾换热
适用范围：
水平管：
适用范围：
（由于管径不会很大， 一般不会到达紊流）
进行修正后，得到：
垂直壁层流膜状凝结换热平均表面传热系数：
垂直壁与水平管凝结换热强度的比较—— 由于垂直壁定型尺寸远大于水平管，因而水平管凝结换热性能 更好，在实际管外凝结式冷凝器设计中多采用水平管。
垂直壁层流膜状凝结换热另一准则方程：
层流膜状凝结换热 速度变化规律：
蒸气静止，且对液膜无黏滞应力作用
层流膜状凝结换热 温度变化规律：
ts为蒸气饱和温度
可采用对流换热微分方程组对垂直壁层流膜状凝结换热加以研究
1.X方向液膜动量方程： 将： 代入，得：
v为蒸汽密度
假定液膜流动缓慢，则惯性力项可忽略，动量方程可简化为：
一般情况下：
从而：
已知壁温：
二、管内沸腾换热
特征：由于流体温度随流向逐渐 升高，沸腾状态随流向不断改变
液相单相流 h较低
垂 直 管 内 沸 腾
Байду номын сангаас
泡状流
h升高
块状流
h高
环状流
h高
气相单相流
h急剧降低
水平管内沸腾
液 相 单 相 流
泡 状 流
块 状 流
波 浪 流
环 状 流
气 相 单 相 流
汽水分层，管上半部局部换热较差
第七章重点： 1.膜状凝结换热特征和计算方法
2.沸腾换热的四个阶段 3.热管的工作原理
谢谢观看
三、水平管束管外凝结换热
上一层管子的凝液流到下一层管 子上，使下一层管面的膜层增厚
下层管上的h比上层管的h低
计算方法：用nd代替d代入水平单管管外凝结换热计算式
第19次--沸腾与凝结换热
沸腾与凝结换热液体的沸腾和蒸汽的凝结均伴随着相变，因此又称为相变传热。
这是一个很重要的传热领域，在许多工程中均有应用。
例如锅炉、蒸发器、再沸器、冷凝器、水冷核反应堆等的设备中均发生相交传热过程。
这些相变传热过程均与流体的流动有关，因而同属于对流传热范畴。
两者的共同特点是具有很高的换热系数，例如常压下水沸腾的换热系数可高速2500-25000W／(m2K)，水蒸汽凝结时的亦可达5000-15000W ／(m2K)，可以以很小的温差来达到很高的传热速率。
但沸腾和凝结又是一种特殊的对流换热过程，有各自独特的特征。
凝结换热凝结是蒸气(气体)转变为液态或固态的过程。
实践中经常会遇到燕气的凝结。
在蒸汽涡轮的冷凝器里蒸汽在冷却管表面凝结。
蒸气的疑结在一些蒸发装置以及大量的热交换器设备中实现。
相变时热量的释放与蒸气凝结的换热过热密切相关。
1、凝结方式：凝结既可以在蒸气空间里，也可以在换热冷却表面上进行。
在第一种情况下，当蒸气相对于饱和温度明显过冷时，在蒸气内包含的冷的液体质点或固体质点上蒸气可自发地形成冷凝相。
在第二种情况下，当蒸气和低于该蒸气压力下饱和温度的壁面接触时，不管蒸气是饱和的或过热的，都会发生蒸气的凝结过程。
2、膜状凝结与珠状凝结如果凝结液体能润湿壁面，则它将在壁而上形成一层连续的液膜，这样的凝结过程称为膜状凝结，如果液体不能润湿壁面，那么将发生珠状凝结过程。
膜状凝结过程中，蒸气的显热和汽化潜热通过汽液分界面经液膜传纷冷却壁面。
在纯饱和蒸气凝结的情况下汽液分界面的温度恰好是它的饱和温度T s 。
凝结只能在膜表面进行，潜热以导热和对流方式通过液膜传递给固体壁面。
液膜形成凝结换热的主要热阻。
当蒸汽在壁面上凝成大小不等的许多液滴时，随着时间增加，由于继续凝结或与其它液滴合并，小液珠变成大浓珠，并在重力作用或蒸汽流动力的推动下往下掉落，在它往下掉落的过程中，会把一路上所遇到的液滴一起带走，在这些液珠被清扫掉的地方，蒸汽直接与壁面接触，随之又产生众多的小波滴。
《传热学》第7章-凝结与沸腾换热
补充例题3
v 思路： 膜态沸腾换热套用公式计算即可。
稳定的膜态沸腾时，金属丝的电流的发热量 一部分通过沸腾换热传给了水，其余部分则 使金属丝的内能增加（温度升高），这是一 个能量平衡。
补充例题3
v 解：膜态沸腾换热系数的计算套教材中的公式，略 去。结果为： h=236.70 W/(m2.℃)
每米长金属丝的传热量为:
理论解的修正
h
=
0.943
gγρ
µH (ts
2λ3 − tw
1/ 4
)
实验证实： Re < 20
时，实验结果与理论解相吻合
Re > 20 时，实验结果比理论解高20%
所以在工程计算时将该式的系数加大20%
h
=
1.13
gγρ 2λ3
µl(ts − tw
)
1/
4
定性温度
tm
传热学
第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and boiling
简介
蒸气被冷却凝结成液体的换热过程称为凝结换热； 液体被加热沸腾变成蒸气的换热过程称为沸腾换热
——有相变的对流换热
一般情况下，凝结和沸腾换热的表面传热系数要比单相 流体的对流换热高出几倍甚至几十倍。
7-1 凝结换热现象
膜状凝结换热 的主要阻力
=
1 2
(ts
+
tw
)
其他
单根水平圆管外壁面上的层流膜状凝结换热平均表面传热系数
h=
( ) 紊流膜状凝结换热
0.729
gγρ µd ts
2λ3 − tw
1/ 4
( ) 整个垂直壁面的平均表面传热系数
传热学第六章凝结与沸腾换热
珠状凝结：凝结液体不能很好地润湿壁面，凝结 液体在壁面上形成一个个小液珠。珠状凝结时， 所形成的液珠不断长大，在非水平的壁面上，因 受重力作用，液珠长大到一定尺寸后就沿壁面滚 下。在滚下的过程中，一方面会合相遇的液珠， 合并成更大的液滴，另一方面也扫清了沿途的液 珠，更利于蒸汽的凝结。凝结液只是局部隔断了 蒸汽与壁面间的换热，因此其热阻要远小于膜状 凝结。
层的导热热阻是主要热阻这一特点，忽略次要因 素，是分析求解换热问题的一个典范。 Nusselt膜状理论：凝结换热系数h只决定于膜的 厚度。
合理简化假设： 1）常物性； 2）蒸汽静止，汽液界面上无对液膜的粘滞应力； 3）液膜的惯性力可以忽略；
4）汽液界面无温差，界面上液膜温度等于饱和温度，tδ=ts；
7.凝结表面的几何形状
纯净水蒸气凝结表面传热系数很大，凝结侧热阻不是主要部 分。若实际运行中有空气漏入，则表面传热系数明显下降。
对制冷剂凝结，主要热阻在凝结一侧，必须对凝结换热进行 强化。方法：
(1)用各种带有尖锋的表面，使在其上凝结的液膜减薄； (2)使已凝结的液体尽快从换热表面排泄掉。 (3)对水平管外凝结，可采用各种类型锯齿管或低肋管冷凝
亦适用。实验表明：当膜层Re<1600时为层流。
2.湍流膜状凝结换热实验关联式
Nu = Ga1/(
Prw Prs
)
1 4
(Re
3 4
−
253)
+
9200
式中：Ga — 伽里略数，Ga = gl 3 .
ν2
Prw — 以tw为定性温度的 Pr Ga、Re 、Prs — 以ts为定性温度
4.液膜过冷度及温度分布的非线性
第六章 凝结与沸腾换热
第六章凝结与沸腾换热1 、重点内容：①凝结与沸腾换热机理及其特点；②膜状凝结换热分析解及实验关联式；③大容器饱和核态沸腾及临界热流密度。
2 、掌握内容：掌握影响凝结与沸腾换热的因素。
3 、了解内容：了解强化凝结与沸腾换热的措施及发展现状、动态。
蒸汽遇冷凝结，液体受热沸腾属对流换热。
其特点是：伴随有相变的对流换热。
工程中广泛应用的是：冷凝器及蒸发器、再沸器、水冷壁等。
§6-1 凝结换热现象一、基本概念1 、凝结换热现象蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的过程，称凝结换热现象。
有两种凝结形式。
2 、凝结换热的分类根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种膜状凝结（1 ）定义：凝结液体能很好地湿润壁面，并能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式，称膜状凝结。
（2 ）特点：壁面上有一层液膜，凝结放出的相变热（潜热）须穿过液膜才能传到冷却壁面上，此时液膜成为主要的换热热阻珠状凝结（1 ）定义：凝结液体不能很好地湿润壁面，凝结液体在壁面上形成一个个小液珠的凝结形式，称珠状凝结。
1 ）θ小则液体湿润能力强，就会铺展开来。
一般情况下，工业冷凝器，形成膜状凝结，但珠状凝结的形成比较困难且不持久（虽然h 膜<<h 珠）。
2 ）特点：凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即可传到冷却壁面上。
所以，在其它条件相同时，珠状凝结的表面传热系数定大于膜状凝结的传热系数。
3、产生的条件：固体壁面温度tw必须低于蒸气的饱和温度ts，即tw < ts§ 6-2 膜状凝结分析解及关联式一、纯净蒸汽层流膜状凝结分析解1 、努塞尔微分方程组根据：液体膜层的导热热阻是凝结过程的主要热阻1916 年，努塞尔在理论分析中作了若干合理假设，从而揭示了有关物理参数对凝结换热的影响。
假设条件：（1 ）纯净蒸汽（ 2 ）常物性（ 3 ）蒸气静止、汽液界面上无对液膜的粘滞应力，即。
根据以上9 个假设从边界层微分方程组推出努塞尔的简化方程组，从而保持对流换热理论的统一性。
第六章 凝结与沸腾换热
grρl2λ3l
µll(ts − tw
1/
)
4
推广应用到水平圆管外的膜状凝结，平均表面传
热系数为 hH
=
0.729
µl
grρl2λ3l
d (ts − t
w
1/
)
4
hH = 0.77 l 1/4
hV
d
注意：竖壁的计算公式同样适用于竖圆管，比较
圆管竖放和水平放置的效果，为什么？
华北电力大学
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
华北电力大学
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
1、分析解的简化假定
（1）常物性； （2）蒸汽是静止的，对液膜表面无粘性力作用；
（3）液膜流速缓慢，忽略液膜的惯性力； （4）汽液界面上无温差；
（5）液膜内部的热量传递只靠导热；
（6）忽略液膜的过冷度；
（7）ρv << ρl ；
（8）液膜表面无波动。
有影响。
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二、凝结换热的强化
通过上述分析可知，液膜的导热热阻是膜状凝 结换热的主要热阻。因此，强化膜状凝结换热的关 键措施就是设法将凝结液从换热面排走、尽可能减 小液膜厚度。例如，目前工业上由水平管束构成的 冷凝器都采用低肋管或锯齿形肋片管，利用凝结液 的表面张力将凝结液拉入肋间槽内，使肋端部表面 直接和蒸气接触，达到强化凝结换热的目的。
传热学第六章凝结与沸腾换热
第六章 凝结与沸腾换热
17
7. 凝结表面的几何形状
❖ 强化凝结换热的原则是 尽量减薄粘滞在换热表 面上的液膜的厚度。
❖ 可用各种带有尖峰 的表面使在其上冷 凝的液膜拉薄，或 者使已凝结的液体 尽快从换热表面上 排泄掉。
第六章 凝结与沸腾换热
18
§6-4 沸腾换热现象
1 生活中的例子 • 蒸汽锅炉
l g
l
2u y 2
0
al
2t y 2
0
第六章 凝结与沸腾换热
7
边界条件：
y 0 时， u 0, t tw
y 时， du 0,
dy
t ts
求解上面方程可得：
(1) 液膜厚度
4l
l (
g
ts
l2 r
tw
)x 1/ 4
定性温度：
tm
ts
tw 2
注意：r 按 ts 确定
第六章 凝结与沸腾换热
10
横管与竖管的对流换热系数之比：
hHg hVg
0.77
l d
1
4
3 边界层内的流态
凝结液体流动也分层流和湍流，并 且其判断依据仍然时Re，
Re de ul
式中：
ul 为 x = l 处液膜层的平均流速；
de 为该截面处液膜层的当量直径。
第六章 凝结与沸腾换热
无波动层流
6
考虑（3）液膜的惯性力忽略
l
(u
u x
v
u y
)
0
考虑（7）忽 略蒸汽密度
dp dx
0
u
x
v y
0
l
(u
u x
v
润滑油在制冷系统中分别对制冷剂凝结换热和沸腾换热及流动性能的影响
润滑油在制冷系统中分别对制冷剂凝结换热和沸腾换热及流动性能的影响1、润滑油在制冷系统中的作用是：1 使制冷压缩机互相摩擦的表面完全被油膜隔开，以降低摩擦表面的磨损、摩擦阻力及摩擦热，提高压缩机的机械效率，使其零件耐用可靠。
2 带走摩擦热量，使摩擦零件的温度保持在允许范围内。
3 润滑油充满在密封机构的间隙中，避免制冷剂泄露，提高压缩机的输气系数。
4 不断的冲洗金属表面，带走磨屑，保持零件表面光洁度，减轻磨损，提高压缩机的稳定性。
2、润滑油对制冷剂沸腾换热的影响（以含油制冷剂 R290为例）润滑油可以看成是一种高沸点组分，加入到制冷剂中后，混合物的沸点将升高。
通过文献资料获得R290－Suniso3GS ，油混合物置于相同的蒸发温度下，在三组不同含油浓度下(0.43﹪、3.24﹪、5.28﹪)，在水平微肋管内流动沸腾换热的实验结果。
并将相同蒸发温度下，不同含油率下的平均沸腾换热系数进行了比较，以此来说明润滑油的加入对平均沸腾换热系数的影响。
如图：从这些图中我们可以总结出以下的规律：(1) 随质量流率的增加，沸腾平均换热系数增加。
例如在含油浓度为 0.43﹪，蒸发温度-5℃，质量流率约为80 kg /m·s2时，沸腾平均换热系数2300 wk/m2·k，而质量流率为 197 kg /m·s2时，沸腾平均换热系数约 3500 wk/m2·k。
(2) 不同含油浓度下，沸腾平均换热系数随着含油率的增加而降低。
沸腾温度为-5℃时，R290 含油混合物质量流率为 80 kg /m·s2，含油率为 0.43﹪时沸腾平均换热系数约为 2200 wk/m2·k，而含油率为 5.28﹪时，沸腾平均换热系数约为 1550 wk/m2·k。
含油率为 5.28﹪时不同质量流率下的沸腾平均换热系数约比 0.43﹪时降低 15﹪-30﹪。
(3) 同一含油率下，平均换热系数随质量流率的增加而增加。
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4.膜状凝结的影响因素 ① 不凝结气体；（如空气在蒸汽中占1%的质量分数，会导致传热效果下
壁面上形成一个个小液珠，称为珠状凝结。
g
蒸汽空间
普通玻璃
斥水玻璃
3.膜状凝结换热是工程设计的主要依据 实验证明,几乎所有的常用蒸气,包括水蒸气在内,在纯净的条件下均
能在常用工程材料的洁净表面上得到膜状凝结。这种情况与我们清洗实验 器皿的日常经验相符合:器皿表面上能形成一层液膜被认为是洗净的标志。
a 大容器沸腾(池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有自由表面的
液体中所发生的沸腾；
加热表面
b 强制对流沸腾：强制对流＋沸腾
Liquid Bubble Slug flow flow flow
Annular flow
Mist flow
Heated Surface
沸腾传热的例子： 烧水； 煮面条； 锅炉产生蒸汽的过程；
(3)热流密度随温度的升高提高越来越低。这是因为汽泡汇聚覆盖 在加热面上,而蒸汽排除过程越趋恶化。这种情况待续到到达最低 热流密度为q为止。这段沸腾称为过渡沸腾,是很不稳定的过程。
(4)膜态沸腾区传热规律再次发生转折。这时加热面上已形成稳定 的蒸汽膜层,产生的蒸汽有规则地排离膜层。此段称为稳定膜态沸 腾。稳定膜态沸腾在物理上与膜状凝结有共同点,不过因为热量必 须穿过的是热阻较大的气膜,而不是液膜,所以传热系数比凝结小得 多。位于过渡沸腾与稳定膜态沸腾之间的热流密度最低的点。
降60%） ② 管子排数； ③ 管内冷凝； ④ 蒸汽流速； ⑤ 蒸汽过热度； ⑥ 液膜过冷度及温度分布的非线性。
5.膜状凝结的强化传热措施 ① 减薄液膜厚度；强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面上的液
膜的厚度。可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄； ② 及时排除冷凝液。
§二、沸腾换热
第十六章 凝结与沸腾对流换热
§一、凝结换热
1.定义：凝结，是气体遇冷而变成液体，如水蒸气遇冷变成水。 温度越低，凝结速度越快。它的逆过程称作蒸发。凝结属于液化形 式中的一种，但不完全等于液化。凝结是一种相变，故在通常情况 下发生的凝结，会伴随着物质的一些物理性质如密度、比热、声音 在其中的传播速度等发生跃变。 液化单位质量的蒸汽为同温度的液体所放出的热量称为该种物质的 凝结热。显然，凝结热在数量上等于汽化热。如1千克水蒸气液化 为水时的凝结热为539卡=2253J。
（1）凝结液体如果能很好地湿润壁面，可以均匀地在 壁面上铺展成膜，这种凝结被称为膜状凝结，此时壁 面总是被一层液膜覆盖，凝结放出的热量必须要穿过 这一层膜才能传递到壁面上去。也就是说膜状凝结的 主要热阻就是凝结液水膜。
tw ts
g
蒸汽空间
tw ts
（2）如果凝结液体不能很好地湿润壁面，凝结液体在
传热壁面上的凹坑、裂缝等最 容易成为汽化核心。
思考题：
1.膜状凝结和珠状凝结的概念.
2.对于实际凝结换热器, 有那些方法可以提高膜状凝结换热 系数?
3.池内饱和沸腾曲线可以分成几个区域? 有那些特性点? 各 个区域在换热原理上有何特点?
4.汽化核心的概念。
1.定义： 液体的汽化( vaporization)可区分为蒸发( evaporation)和沸腾 (boiling)两种。 前者指发生在液体表面上的汽化过程,后者则指在液体内部以产生汽泡的 形式进行的汽化过程。 就流体运动的动力而言,沸腾过程又有大容器沸腾（又称池沸腾）和管内 沸腾两种。 大容器沸腾时流体的运动是由于温差和汽泡的扰动所引起的,而管内沸腾 则需外加的压差作用才能维持。
主要以最常见的大容器沸腾为例讲解。
(1)自然对流区:壁面过热度较小壁面上没有汽泡产生,传热属于自 然对流工况。
(2)核态沸腾区:当加热壁面的过热度△t>4℃后,璧面上个别地点 (称为汽化核心)开始产生汽泡,汽化核心产生的汽泡彼此互不干扰, 称孤立汽泡区随着△t进一步增加,汽化核心增加,汽泡互相影响,并 会合成气块及气柱, 在这两个区中,汽泡的抗动剧烈,传热系数和热 流密度都急剧增大。由于汽化核心对传热起着决定性影响,这两区 的沸腾统祢为核态沸腾(或称泡状沸腾)，有温压小、传热强的特点, 所以一般工业应用都设计在这个范围。
ห้องสมุดไป่ตู้
讨论： 1.室内开着冷空调，窗户上是否会有水汽凝结？ 2.开车时开着冷空调，挡风玻璃上是否会起雾？ 3.室内开着热空调，有什么措施可以防止窗户起雾？
凝结换热实例 • 蒸馒头； • 寒冷冬天窗户上的水滴； •冰箱与空调中的冷凝器与蒸发器
2.凝结换热的分类
凝结可能以不同的形式发生，分为膜状凝结和珠状凝 结。